Performance evaluation of asphalt pavements using the Incremental-Recursive procedure of the Mechanistic-Empirical design software CalME

Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi umani attraverso il più piccolo impatto possibile sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. I progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA). L’abbassamento della temperature di produzione riduce le emissioni nocive. Questo migliora le condizioni dei lavoratori ed è orientato verso uno sviluppo sostenibile. L’obbiettivo principale di questa tesi di laurea è quello di dimostrare il duplice valore sia dal punto di vista dell’eco-compatibilità sia dal punto di vista meccanico di questi conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità”. In particolare in questa tesi di laurea è stato studiato uno SMA ad “alta lavorabilità” (PGGWMA). L’uso di materiali a basso impatto ambientale è la prima fase verso un progetto ecocompatibile ma non può che essere il punto di partenza. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi di progetto e alla caratterizzazione di laboratorio dei materiali perché solo in questo modo è possibile ricavare le massime potenzialità dai materiali usati. Un’appropriata caratterizzazione del conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è una fase importante. Inoltre, al fine di utilizzare correttamente i materiali, un metodo di progetto avanzato ed efficiente, come quello rappresentato da un approccio Empirico-Meccanicistico (ME), deve essere utilizzato. Una procedura di progetto Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati di tensione e deformazione all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico - Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo tesi di laurea si concentra sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME, basata su modelli di danno per quanto riguarda la fatica e l’accumulo di deformazioni di taglio dai quali dipendono rispettivamente la fessurazione superficiale e le deformazioni permanenti nella pavimentazione. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le propreità meccaniche del PGGWMA e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti tra strato superficiale e struttura della pavimentazione per fissate condizioni ambientali e di traffico, è stata usata la procedura Incrementale – Ricorsiva del software CalME. Il conglomerato bituminoso studiato (PGGWMA) è stato usato in una pavimentazione stradale come strato superficiale di 60 mm di spessore. Le performance della pavimentazione sono state confrontate a quelle della stessa pavimentazione in cui altri tipi di conglomerato bituminoso sono stati usati come strato superficiale. I tre tipi di conglomerato bituminoso usati come termini di paragone sono stati: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” con granulometria “chiusa” non modificato (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma con granulometria “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso non modificato con granulometria “chiusa” (DGAC). Nel Capitolo I è stato introdotto il problema del progetto ecocompatibile delle pavimentazioni stradali. I materiali a basso impatto ambientale come i conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità” e i conglomerati bituminosi modificati con polverino di gomma sono stati descritti in dettaglio. Inoltre è stata discussa l’importanza della caratterizzazione di laboratorio dei materiali e il valore di un metodo razionale di progetto delle pavimentazioni stradali. Nel Capitolo II sono stati descritti i diversi approcci progettuali utilizzabili con il CalME e in particolare è stata spiegata la procedura Incrementale – Ricorsiva. Nel Capitolo III sono state studiate le proprietà volumetriche e meccaniche del PGGWMA. Test di Fatica e di Deformazioni Permanenti, eseguiti rispettivamente con la macchina a fatica per flessione su quattro punti e il Simple Shear Test device (macchina di taglio semplice), sono stati effettuati su provini di conglomerato bituminoso e i risultati dei test sono stati riassunti. Attraverso questi dati di laboratorio, i parametri dei modelli della Master Curve, del danno a fatica e dell’accumulo di deformazioni di taglio usati nella procedura Incrementale – Ricorsiva del CalME sono stati valutati. Infine, nel Capitolo IV, sono stati presentati i risultati delle simulazioni di pavimentazioni stradali con diversi strati superficiali. Per ogni pavimentazione sono stati analizzati la fessurazione superficiale complessiva, le deformazioni permanenti complessive, il danno a fatica e la profondità delle deformazioni in ognuno degli stati legati.

Numerical and experimental investigation of structural stiffness influence on ratcheting convection cell in granular soils under cyclic loading

Lateral cyclic loaded structures in granular soils can lead to an accumulation of irreversible strains by changing their mechanical response (densification) and forming a closed convective cell in the upper layer of the bedding. In the present thesis the convective cell dimension, formation and grain migration inside this closed volume have been studied and presented in relation to structural stiffness and different loads. This relation was experimentally investigated by applying a cyclic lateral force to a scaled flexible vertical element embedded in dry granular soil. The model was monitored with a camera in order to derive the displacement field by means of the PIV technique. Modelling large soil deformation turns out to be difficult, using mesh-based methods. Consequently, a mesh-free approach (DEM) was chosen in order to investigate the granular flow with the aim of extracting interesting micromechanical information. In both the numerical and experimental analyses the effect of different loading magnitudes and different dimensions of the vertical element were considered. The main results regarded the different development, shape and dimensions of the convection cell and the surface settlements. Moreover, the Discrete Element Method has proven to give satisfactory results in the modelling of large deformation phenomena such as the ratcheting convective cell.

Study of recycled Rap and Ra as alternative aggregates for pavements' sub-base and base

Nowadays, an important world’s population growth forecast establish that an increase of 2 billion people is expected by 2050. (UN,2019). This increment of people worldwide involves more humans, as well as growth of the demand for the construction of new residential, institutional, industrial, and infrastructural areas, prompting to a higher consumption of natural resources as required for construction materials. In addition, an effect of this population growth is the production and accumulation of waste causing a serious environmental and economic issue around the world. As an alternative to just producing more waste at the final stage of a building, house, road, among other concrete-based structures, adequate techniques must be applied for recycling and reusing these potential materials. The main priority of the thesis is to foment and evaluate the sustainable construction work leading to environmental-friendly actions that promote the reuse and recycling of construction waste, focusing on the use of construction recycled construction materials as an alternative for sub-base and base of road structure application. This thesis is committed to the analysis of the several laboratory tests carried out for achieving the physical-mechanical properties of the studied materials (recycled concrete aggregates + reclaimed asphalt pavement (RCA+RAP) and stabilized crushed sleepers). All these tests have been carried out in the Laboratory of Roads from the University of Bologna and in the experimental site in CAR srl., at Imola. The results are reported in tables, graphs, and are discussed. The mechanical properties values obtained from the laboratory tests are analysed and compared with standard values declared in the Italian and European normative for roads construction and to the results obtained from in-situ tests in the experimentation field (CAR srl in Imola) with the same materials. This to analyse the performance of them under natural conditions.

Light coloured and draining wearing courses for low-impact urban pavements

Urban health and well-being are becoming current issues of modern cities due to local climate change and environmental noise. The Urban Heat Island and the Urban Noise Island have a direct impact on the economic, social, and environmental aspects of urban life, negatively affecting the well-being of worldwide citizens. The present research is focused on the study of innovative materials employed in the production of wearing course mixtures aiming to mitigate these phenomena. In particular, a synthetic transparent binder substituting bitumen and recycled aggregates produced from construction and demolition waste. Four mixtures were analysed. Among them, Mix 1 and Mix 2 are conventional wearing courses. The first is exclusively made of natural aggregates, while the second is constituted of 45 % of recycled aggregates (RA). Mix 3 and Mix 4 are draining wearing courses and, in this case, Mix 4 was produced by using 55 % of RA. Laboratory tests were required to fully characterize all the produced samples, allowing a proper comparison of results. Overall, all the mixtures studied provide prominent results suggesting potential applications of these innovative wearing courses in cycle lanes, historical centres, plazas, and parking lots. Among the conventional mixtures, Mix 2 is the most likely to assure the best performance in terms of road safety, efficiency, and durability while as far as the draining mixtures are concerned, Mix 4 is preferable due to its high content of recycled aggregates.

Steel hopper silos filled with granular material: experimental tests on the tensile resistance of corrugated sheets and on the filling and discharging pressures

This thesis addresses various aspects related to silos, from the strength of some structural parts to internal actions due to grain. Two hopper silo models were mainly studied, so the thesis is divided into two parts. The first part focuses only on the silo cylinder and deals with the collapse of a silo due to failure of the vertical walls. We had the opportunity to access data from a real silo and perform tensile tests on corrugated sheets. The theoretical and experimental resistance of the corrugated sheet forming the silo cylinder was studied. The resistance was then compared with the internal actions due to grain prescribed by various standards. The second part, however, focused on the hopper of a silo in which a load test (loading and unloading of the silo) was performed. Through the test data, an attempt was made to reproduce the pressures normal to the hopper through analytical reasoning. The experimental pressures were then compared with the theoretical pressures predicted by the standards. In addition, with mathematical reasoning, an attempt was made to reproduce the horizontal pressure on the vertical walls of the silo from the experimental normal pressure in the hopper. In fact, the test was related only to the hopper part and not to the silo cylinder.